Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами, страница 12

Однако прямое сравнение ионных условий между экспериментом имоделированием не является осмысленным. Есть существенные различия между тем, как учитываются ионы при моделировании, и как это происходит в эксперименте.Во-первых, в силовом поле ионы аппроксимируются как сферы с Ван-дерВаальсовым радиусом с постоянным точечным зарядом в центре, что отличается от реальности. Во-вторых, современные расчёты МД производятся в маленьких ячейках с растворителем при периодических граничных условия и сучётом электростатики по методу Эвальда (в реализации PME).Ячейки большого размера в настоящее время не используются, так как они сильно замедляют моделирование.

В небольшой ячейке распределение ионов на гранях ячейкине воспроизводит распределение ионов в фазе [130]. Cайты связывания ионовна поверхности биополимера достаточно хорошо описываются силовыми полями, но обмен между разными сайтами может быть искажён из-за малого размера ячейки моделирования. Однако эти эффекты до сих пор не определеныколичественно. То же самое можно сказать и о возможных артефактах, вызыва-69емых методом PME.

ДНК имеет заряд -1 на каждом остатке фосфата, поэтомудаже чистая нейтрализация заряда в ячейке средних размеров приводит к концентрации катионов ∼ 0,2-0,3 М. Добавление избытка соли, соответственно,увеличивает концентрацию катионов. Формальная концентрация исследуемоговещества тоже велика и составляет ∼ 0,01 М, но молекулы данного веществане имеют контактов друг с другом из-за использования периодических граничных условий. Большинство исследований по моделированию НК имеют короткие времена наблюдения и, по большей части, остаются в окрестности одногоконформационного макросостояния, и они менее чувствительны к качеству обсчёта ионов, чем моделирование самосборки структуры.Большинство работ по моделированию НК, опубликованных до сих пор, было сделано либо с набором нейтрализующих одновалентных катионов (обычноNa+ или K+ ) или с добавлением ∼ 100-200 мМ моновалентной соли для достижения физиологической ионной силы.

На сегодня нет сообщений о том, что моделирование МД в нейтрализующих и избыточных солевых условиях приводитк разным конформациям, но есть проблемы для параметров отдельных ионовили для баланса между параметрами разных ионов [131]. Однако, чаще всего,экспериментально найденные сайты связывания ионов хорошо воспроизводятся, как при моделировании каталитического кармана HDV рибозима [59; 132].На текущий момент при использовании только нейтрализующего количества катионов результаты несильно зависят от описания ионов.

На самом деле, ДНК-дуплекс недостаточно чувствителен к соли: на это указывает то, чтоструктура дуплексной ДНК не изменяется при высоких концентрациях соли (∼ 5 М, неопубликованные данные Читмана и коллег). Также не наблюдается существенных различий в моделировании, когда система не содержит мобильныхпротивоионов, и нейтрализация ячейки достигается формальным распределе70нием компенсаторных зарядов среди всех молекул воды или за счёт применениямодификации метода Эвальда с распределением виртуальных зарядов по решётке.Последнее наблюдение несколько удивительно, тем не менее, структураДНК дуплекса (CGCGAATTCGCG)2 остаётся нативной при времени наблюдения до 750 нс. Ожидается, что эта структура должна денатурировать при такойнеестественно низкой ионной силе.

С другой стороны, структура РНК без нейтрализующих катионов сразу теряет стартовую конформацию и денатурируютпри моделировании МД (Читман, неопубликованные данные). На сегодняшнийдень все ещё отсутствует общее мнение на том, как хорошо модель точечногозаряда иона может воспроизводить влияние соли на структуру и динамику НК.Очевидно, что G-ДНК является особенной системой, где ДНК-ионные взаимодействия имеют решающее значение, так как структура содержит ионы вцентральной полости стебля. Есть несколько известных проблем в изучениимолекул G-ДНК, которые связаны с приближениями при описании ионов. Поведение ионов при моделировании (а также данные КМ-вычислений) указывает на то, что радиус ионов является слишком большим, чтобы оптимальноописывать взаимодействия ионов внутри стеблей [133].

Это уменьшает вероятность связывания Na+ в плоскости квартета и может привести к случайномувыталкиванию K+ из полости внутри стебля. Было предположено, что сокращение радиуса К+ , который находится внутри стебля, может быть использовано вмоделировании G-ДНК. Также вероятно, что комплексообразование катионовнесколько недооценено в современных силовых полях.

Все эти вопросы могутбыть решены при сравнении расчётов в силовых полях и данных КМ о взаимодействиях между катионами и гауниновыми квартетами [133].Одной из явных проблем является потеря катионом экспериментально установленного сайта связывания в структуре, состоящей из стебля и петли в G71ДНК (G4 T4 G4 )2 .Это, пожалуй, единственный задокументированный случай,когда экспериментально установленный сайт связывания одновалентного катиона не очень хорошо воспроизводится в моделировании. Многие катионсвязывающие сайты в РНК были правильно воспроизведены или даже предсказаны в моделировании МД.

Считается, что, в целом, описание поведенияионов во внутренней полости G-ДНК происходит адекватно. Самым ярким артефактом является недавно обнаруженная кластеризация (кристаллизация соли) катионов и анионов при определённой неподходящей комбинации параметров катионов и анионов. Этого можно избежать, если использовать новейшиепараметры для описания ионов [134].

Эта проблема никогда не возникала примоделировании, в котором катионы использовались только для нейтрализации,и для такого моделирования можно использовать традиционные параметры.Недавние работы показали, что результаты моделирования РНК в определённой степени зависят от модели воды, но для G-ДНК подобных данных ещё нет.2.3.5Исследования взаимодействий G-ДНК с лигандамиКвадруплексные структуры встречаются в промотерах онкогенов, а такжев теломерах. Малые молекулы могут стабилизировать или изменять структуруG-квадруплекса, влияя на его функцию, поэтому молекулы, связывающие Gквадруплекс, активно исследуются как потенциальные противораковые агенты.

Ряд недавних публикаций подчёркивает роль G-ДНК в качестве мишенидля терапии рака [135; 136]. Активное внимание исследователей к комплексамквадруплекс-лиганд привело к появлению специальных выпусков журналов,посвящённых этой теме [137]. Компьютерный дизайн и/или дизайн на основеструктуры активно применяется для поиска и оптимизации лигандов, способ-72ных специфически взаимодействовать с заданными G-квадруплексными мишенями.

Эти подходы включают в себя как сравнительное моделирование и структурный анализ [138; 139], так и более детальные исследования с применениемдокинга [140—142], моделирование молекулярной динамики и моделированиес вычислением изменения свободной энергии [143—157]В последних обзорах подробно обсуждают использование методов моделирования как G-ДНК, так и G-РНК [158; 159]. Методы моделирования могут зачастую улучшить наше понимание принципов взаимодействия квадруплекса иего лиганда. Например, многие лиганды G-ДНК эффективно взаимодействуют с квартетом за счёт стэкинга, однако такие лиганды неспецифичны. Методымоделирования могут помочь в разработке молекул, специфичных к последовательности и структуре, используя различия в структуре бороздок квадруплекса[160].

Общей чертой подобных исследований является использование силовыхполей семейства AMBER, в том числе, их модификации ``GAFF'' для описаниялигандов.При оценке достоверности вычислений для комплексов G-ДНК с лигандами всегда надо иметь в виду несколько вопросов: 1) качество исходной структуры (способ расчёта очевиден, когда доступна надёжная структура, полученнаяметодом РСА, в то время, как результаты докинга могут привести к нереалистичной картине); 2) качество описания силового поля для лиганда; 3) каковыожидаемые цели? (в то время, как качественные структурные данные вполнедостижимы, а качественные расчёты свободной энергии, скорее всего, нет).Выше была показана необходимость детальной настройки силовых полейдля НК для предотвращения структурной деградации нативных структур ДНКи РНК.

Качественная параметризация силовых полей для лигандов также может быть весьма непростой задачей. Есть преимущество в том, что в данном73случае исследователь имеет дело с небольшой молекулой, поэтому небольшие ошибки в параметризации мономера не накапливаются, как это происходит с силовыми полями биополимеров.

Относительно удобно параметризоватьплоские ароматические системы, что справедливо для изрядной части G-ДНКсвязывающих лигандов.С другой стороны, параметризация надёжного силового поля для сложных лигандов, таких, как аминогликозиды, будет затруднено,если вообще возможно.Поляризационные составляющие взаимодействия важны для многозарядных лигандов.